Установка для калибровки/поверки и способ калибровки средств измерений ширины лазерного пучка Российский патент 2018 года по МПК G01J1/58 

Изобретение относится к области оптических измерений, а именно к высокоточным фотометрическим установкам для калибровки/поверки и способам калибровки средств измерений ширины лазерного пучка.

Из уровня техники известна метрологическая база для калибровки и поверки средств измерений распределения плотности энергии в поперечном сечении лазерного пучка, основанная на применении Государственного первичного специального эталона (ГПСЭ) единиц энергии, распределения плотности энергии (РПЭ), длительности импульса и длины волны лазерного излучения (ГЭТ 187-2010). Современные средства измерений ширины лазерного пучка используют в своем составе многоэлементные измерительные преобразователи (МИП), позволяющие получать информацию о подробной структуре РПЭ лазерных пучков разных видов (гомоцентрические (стигматические), слабоастигматические и астигматические) и определять их ширину (в общем случае различную по осям координат х, y; в случае гомоцентрического пучка понятие ширины пучка по осям заменяется понятием диаметра пучка) по измеренному РПЭ с применением моментов второго порядка в соответствии с ГОСТ Р ИСО 11146-2008.

Алгоритм передачи единицы ширины лазерного пучка отличается от алгоритма передачи РПЭ, так как ширина пучка является функционалом РПЭ и представляет собой уже не скалярное поле, а числовую характеристику.

Известны способы и устройства для воспроизведения и передачи таких числовых характеристик, как единицы средней мощности и энергии лазерного излучения, позволяющие с высокой точностью воспроизводить и передавать данные единицы и производить калибровку и поверку соответствующих средств измерений, но которые не могут определять ширину пучка (см. а.с. SU 1408245, кл. G01J 5/00, опубл. 07.07.1988; Максак А.Г., Козак И.В., Плотников А.В., Ильин А.С., Улановский М.В. Обеспечение единства и точности измерений энергии пикосекундных импульсов лазерного излучения, Измерительная техника, №5, 2015, с. 37-40).

Наиболее близкой по технической сущности к заявленному изобретению в части установки является установка для измерения параметров лазерного пучка, содержащая закрепленные на едином основании источник лазерного излучения, делительную пластину, механизм изменения ширины лазерного пучка и выполненное с возможностью перемещения основное средство измерений, расположенные на линии прямого лазерного пучка, а также контрольное средство измерений, расположенное на линии отраженного от делительной пластины лазерного пучка (см. патент RU 2091729, кл. G01J 1/04, опубл. 27.09.1997). Однако в известном техническом решении механизм изменения ширины лазерного пучка выполнен в виде калиброванных диафрагм, что некорректно при определении ширины негомоцентрических пучков. Кроме того, известная установка не позволяет производить калибровку/поверку средств измерений, отслеживать уход координат центроида (энергетического центра) лазерного пучка при каждом измерении ширины пучка и плавно изменять ширину пучка из-за небольшого числа калиброванных диафрагм, что увеличивает погрешность определения ширины.

Таким образом, технической проблемой является обеспечение возможности передачи единицы ширины лазерного пучка от эталона к нижестоящим рабочим средствам измерений (РСИ) на основе МИП для их калибровки и поверки в широком диапазоне изменения ширины пучка с учетом устранения вышеупомянутых недостатков.

В предлагаемой установке для калибровки/поверки средств измерений ширины лазерного пучка, содержащей закрепленные на едином основании источник лазерного излучения, делительную пластину, механизм изменения ширины лазерного пучка и выполненное с возможностью перемещения основное средство измерений, расположенные на линии прямого лазерного пучка, а также контрольное средство измерений, расположенное на линии отраженного от делительной пластины лазерного пучка, механизм изменения ширины лазерного пучка выполнен в виде двухлинзовой оптической системы, включающей двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, установленные на подвижном держателе, регулирующем расстояние между ними в соответствии с сигналами блока управления. Основное и контрольное средства измерений предпочтительно выполнены в виде многоэлементных измерительных преобразователей лазерного излучения с ПЗС-матрицами. На линии прямого лазерного пучка предпочтительно установлен ослабитель.

Согласно предлагаемому способу калибровки средств измерений ширины лазерного пучка с использованием предлагаемой установки выполняют следующие последовательные операции:

- с помощью блока управления устанавливают фиксированное значение ширины лазерного пучка в механизме изменения ширины лазерного пучка;

- одновременно измеряют распределение плотности энергии лазерного пучка с помощью основного и контрольного средств измерений;

- передают сигналы, соответствующие измеренным распределениям плотности энергии лазерного пучка, в блок управления;

- на основании полученных сигналов вдоль осей х, y рассчитывают ширины пучков d_xOC, d_yOC, соответствующие измерениям основного средства измерений, и d_xKC, d_yKC, соответствующие измерениям контрольного средства измерений, а также калибровочные коэффициенты для контрольного средства измерений , ;

- перемещают основное средство измерений и устанавливают на его место калибруемое средство измерений;

- одновременно измеряют вдоль осей х, y ширину лазерного пучка d_xPCИ, d_уРСИ с помощью калибруемого средства измерений и распределение плотности энергии лазерного пучка с помощью контрольного средства измерений, передают сигнал, соответствующий измеренному распределению плотности энергии лазерного пучка, в блок управления и рассчитывают ширины лазерного пучка , , соответствующие измерениям контрольного средства измерений;

- определяют калибровочные коэффициенты калибруемого средства измерений как , .

Совокупность изложенных признаков позволяет решить вышеуказанную техническую проблему и получить технический результат, заключающийся в повышении точности измерений, проводимых в ходе калибровки/поверки РСИ.

На чертеже приведена функциональная схема заявляемой установки.

Предлагаемая установка для калибровки/поверки средств измерений ширины лазерного пучка содержит закрепленные на едином основании источник лазерного излучения 1, делительную пластину 2 (например, из стекла марки К-8), контрольное средство измерений (КС) 3, оптический ослабитель 4, механизм 5 изменения ширины лазерного пучка и основное средство измерений (ОС) 6, а также блок управления 7 и компьютер 8.

Средства измерений 3 и 6 выполнены в виде многоэлементных измерительных преобразователей и могут содержать ПЗС-матрицы, например, Hamamatsu S7170-0909-01.

Механизм 5 формирует лазерный пучок с фиксированным значением ширины в заданном диапазоне и выполнен в виде двухлинзовой оптической системы, включающей двояковыпуклую и двояковогнутую линзы. Линзы выполнены, например, из стекла КУ-1 для интервала длин волн 0,5-1,1 мкм и установлены на подвижном держателе, приводимом в движение шаговым двигателем (например, типа FL39ST34-0306A) и регулирующем расстояние между ними в соответствии с сигналами блока управления 7. Механизм 5 расположен на заданном расстоянии от ослабителя 4 и ОС 6 и обеспечивает некоторые произвольные фиксированные и определяемые впоследствии значения ширины в диапазоне измерений, например, 6-16 мм. В таблице для примера представлены результаты расчета зависимости диаметра d гомоцентрического лазерного пучка от расстояния между линзами.

Предлагаемое выполнение механизма 5 позволяет обеспечить плавное изменение ширины лазерного пучка и, тем самым, повысить точность измерений ширины лазерного пучка.

Калибровку средств измерений ширины лазерного пучка с использованием описанной установки осуществляют следующим образом.

На первом этапе, согласно предлагаемому способу, калибруют КС 3 по ширине лазерного пучка, методом вторых моментов в соответствии с ГОСТ Р ИСО 11146-2008.

Сначала по сигналам с компьютера 8 с помощью блока управления 7 устанавливают значение расстояния и, соответственно, ширины пучка в механизме 5. Излучение лазера 1, проходя через светоделительную пластину 2, разделяется на прямой и отраженный пучки. Отраженный пучок поступает на КС 3, а прямой пучок поступает на ослабитель 4 для согласования уровня энергии излучения лазера с характеристикой линейности ОС 6, затем в механизм 5 изменения ширины лазерного пучка и далее на ОС 6. По сигналу с управляющего компьютера 8 КС 3 и ОС 6 производят одновременное измерение РПЭ лазерного излучения в поперечных сечениях прямого и отраженного пучков и передают их в блок управления 7 и далее в компьютер 8 для последующей обработки.

По результатам измерений РПЭ в компьютере 8 определяют ширину (диаметр для гомоцентрического пучка) лазерного пучка на входе ОС 6 и КС 3 по формулам, представленным в ГОСТ Р ИСО 11146-2008, например, для гомоцентрических пучков:

,

где , , , - вычисленные вторые моменты измеренного РПЭ излучения по осям х и y, поступающего на входы ОС 6 и КС 3, соответственно. Далее определяют калибровочный коэффициент для КС 3 по формуле

.

На втором этапе производится непосредственно калибровка средства измерений ширины (диаметра для гомоцентрических пучков) лазерного пучка.

При калибровке в оптический тракт предлагаемой установки вместо ОС 6 вводят калибруемое средство измерений (РСИ) 9. Путь прохождения оптического сигнала аналогичен описанному выше. В данном случае прямой пучок поступает на ослабитель 4, необходимый для согласования уровня энергии излучения лазера с характеристикой линейности калибруемого РСИ 9.

КС 3 по сигналам с компьютера 8 через блок управления 7 производят измерение РПЭ лазерного излучения в поперечном сечении отраженного от светоделительной пластины 2, а РСИ 9 одновременно производит измерение ширины (диаметра d_PCИ для гомоцентрического пучка) прямого лазерного пучка.

По аналогии с первым этапом по измеренному РПЭ на компьютере 8 определяют ширину (диаметр для гомоцентрического пучка) лазерного пучка, поступающего на вход КС 3.

Далее с помощью компьютера 8 рассчитывают ширину (диаметр . К для гомоцентрического пучка) лазерного пучка, поступающего на вход РСИ 9, определенную КС 3 с учетом его калибровки на первом этапе.

По полученным данным определяют калибровочный коэффициент для РСИ 9

.

Определение диаметра лазерного пучка РСИ 9 в процессе его эксплуатации производят с учетом вышеупомянутого калибровочного коэффициента, так для гомоцентрического лазерного пучка

,

где - измеренный РСИ некалиброванный диаметр лазерного пучка, определенный в соответствии с ГОСТ Р ИСО 11146-2008.

При проведении поверки РСИ 9 по сигналам с компьютера 8 через блок управления 7 измеряют РПЭ лазерного излучения, поступающего на вход КС и определяют ширину (диаметр . К для гомоцентрического пучка) лазерного пучка на входе РСИ 9 и ширину, измеренную РСИ 9 (диаметр для гомоцентрического пучка).

Определяют погрешность измерения ширины поверяемого РСИ 9 (диаметра для гомоцентрического пучка по формуле ).

При наличии слабоастигматических и астигматических лазерных пучков в ходе калибровки согласно предлагаемому способу по результатам измерений РПЭ в компьютере 8 по формулам ГОСТ Р ИСО 11146-2008 раздельно для координат вдоль осей x и y определяют ширину лазерного пучка ОС 6 и КС 3

,

,

,

.

где , , , , , - вычисленные вторые моменты измеренного распределения интенсивности на выходах ОС 6, и КС 3 соответственно, , .

Далее определяют набор калибровочных коэффициентов

, , , .

Поверку и определение погрешности РСИ 9 в этом случае производят аналогично раздельно по координатам х и y.

Благодаря описанным особенностям предлагаемых установки и способа заявленное изобретение позволяет значительно повысить точность измерений ширины лазерного пучка: за счет проведения калибровки/поверки РСИ, «привязки» проводимых измерений к эталону, обеспечивающей единство измерений; за счет возможности отслеживания ухода координат центроида в каждом измерении ширины пучка при применении МИП; а также за счет возможности плавного изменения ширины пучка.

Изобретение относится к области оптических измерений. Установка для калибровки/поверки средств измерений ширины лазерного пучка содержит закрепленные на едином основании источник лазерного излучения, делительную пластину, механизм изменения ширины лазерного пучка и выполненное с возможностью перемещения основное средство измерений, а также контрольное средство измерений, расположенное на линии отраженного от делительной пластины лазерного пучка. Механизм изменения ширины лазерного пучка выполнен в виде двухлинзовой оптической системы, включающей двояковыпуклую и двояковогнутую линзы на подвижном держателе, регулирующем расстояние между ними в соответствии с сигналами блока управления. Способ калибровки средств измерений ширины лазерного пучка с помощью описанной установки включает установку фиксированной ширины лазерного пучка, измерение распределения плотности энергии лазерного пучка с помощью основного и контрольного средств измерений, расчет вдоль осей x, y соответствующих ширин пучков и калибровочных коэффициентов, установку калибруемого рабочего средства измерений вместо основного, измерение ширины лазерного пучка с помощью рабочих средств измерений и определение калибровочных коэффициентов рабочих средств измерений. Технический результат заключается в обеспечении повышения точности измерений, проводимых в ходе калибровки/поверки рабочих средств измерений. 2 н. и 3 з.п. ф-лы. 1 ил., 1 табл.

1. Установка для калибровки/поверки средств измерений ширины лазерного пучка, содержащая закрепленные на едином основании источник лазерного излучения, делительную пластину, механизм изменения ширины лазерного пучка и выполненное с возможностью перемещения основное средство измерений, расположенные на линии прямого лазерного пучка, а также контрольное средство измерений, расположенное на линии отраженного от делительной пластины лазерного пучка, отличающаяся тем, что механизм изменения ширины лазерного пучка выполнен в виде двухлинзовой оптической системы, включающей двояковыпуклую и двояковогнутую линзы, установленные на подвижном держателе, регулирующем расстояние между ними в соответствии с сигналами блока управления.

2. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что основное и контрольное средства измерений выполнены в виде многоэлементных измерительных преобразователей лазерного излучения.

3. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что основное и контрольное средства измерений содержат ПЗС-матрицы.

4. Установка по п. 1, отличающаяся тем, что на линии прямого лазерного пучка установлен ослабитель.

5. Способ калибровки средств измерений ширины лазерного пучка с использованием установки по п. 1, включающий выполнение следующих последовательных операций:

- с помощью блока управления устанавливают фиксированное значение ширины лазерного пучка в механизме изменения ширины лазерного пучка;

- одновременно измеряют распределение плотности энергии лазерного пучка с помощью основного и контрольного средств измерений;

- передают сигналы, соответствующие измеренным распределениям плотности энергии лазерного пучка, в блок управления;

- на основании полученных сигналов вдоль осей х, у рассчитывают ширину пучков d_xOC,d_yOC, соответствующие измерениям основного средства измерений, и d_xKC,d_yKC, соответствующие измерениям контрольного средства измерений, а также калибровочные коэффициенты для контрольного средства измерений , ;

- перемещают основное средство измерений и устанавливают на его место калибруемое средство измерений;

- одновременно измеряют вдоль осей x, y ширину лазерного пучка d_xРСИ,d_yРСИ с помощью калибруемого средства измерений и распределение плотности энергии лазерного пучка с помощью контрольного средства измерений, передают сигнал, соответствующий измеренному распределению плотности энергии лазерного пучка, в блок управления и рассчитывают ширину лазерного пучка ,, соответствующую измерениям контрольного средства измерений;

- определяют калибровочные коэффициенты калибруемого средства измерений как , .